CN203342782U - 一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置，包括一个带门的密封装置、密封装置内的气凝胶托盘摆放支架、密封装置内的加热器、密封装置上的具有控制阀的进排气出口和与密封装置连接的抽真空管路和一台内置或外置的真空泵；所述密封装置的至少1个排气管与真空泵连接，通向废气废液处理装置，用于减压抽气；其中至少1个排气管直接通向废气废水处理装置；在密封装置或/和排气管路上，设有供加热干燥用的内部循环风扇。本实用新型可以解决超临界干燥高压设备即危险又昂贵，使得制备出的气凝胶价格高昂,同时产量极少的技术问题。

Description

一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置

技术领域

本实用新型属于功能材料制备技术领域。涉及一种制备多孔、高比表面积、比重轻的气凝胶的制备设备。 

背景技术

气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的一种纳米孔网络结构,在去除内部的溶剂和水后得到的一种低密度、高孔隙率的固体。常见的SiO2气凝胶，是由SiO2网络骨架和填充在纳米孔隙中的气体所构成的一种高分散固体纳米材料。气凝胶作为具有重要意义的产品，已经被全世界科学家广泛认知,经过了全世界科学家数十年的研究,发现了众多超出想象的新特性，气凝胶具有质轻、极大的比表面积、高孔隙率等特点，在力学、声学、热学、光学、化学、物理学均有独特的优良性质，在保温绝热材料、隔音材料、红外线吸收材料、催化剂材料、环境保护材料等领域都有广泛用途。但由于气凝胶的制备工艺复杂，干燥设备昂贵限制了它的规模化工业生产。目前，采用超临界干燥设备,以昂贵的成本生产出的少量气凝胶的应用，仅仅局限于军工、航天、石油和体育用品等高端用途。 

现有气凝胶的制备工艺技术，主要分为两个部分，即：凝胶的制备和凝胶干燥。以二氧化硅气凝胶的制备为例，采用硅源、溶剂、催化剂通过进行水解、凝胶、陈化、溶剂置换的步骤制备出待干燥的二氧化硅凝胶；然后再通过超临界二氧化碳干燥凝胶得到气凝胶。 

气凝胶制备过程中最困难的是将凝胶内部的水和溶剂在不破坏结构的情况下去除，但极薄的骨架承受力极为有限，加热干燥极易出现孔隙的坍塌和破裂。气凝胶在干燥时的塌陷源自其自身结构在干燥过程中所产生的毛细管作用，凝胶内部的孔隙和毛细管很相似,干燥过程中，当凝胶一部分内部的水和溶剂排出了凝胶,就会出现三相界面，界面的表面张力使内部的液体在管内形成一个凹面，这个凹面就是表面张力造成的，这个力是一个向内的力，倾向于把管壁向内塌陷。采用超临界方法干燥，就是为避免表面张力的形成，常用的有乙醇和二氧化碳超临界干燥方法；乙醇超临界干燥要达到6.38MP,同时还要高温；二氧化碳超临界干燥要达到7.38MP的高压；乙醇或二氧化碳在超临界 状态气液界面消失,从而没有三相界面，也就没有了表面张力,此时大量的二氧化碳流体或乙醇流体置换出凝胶内部的水和溶剂,再减压除去二氧化碳或乙醇,得到干燥的气凝胶。但超临界干燥设备是高压设备，使用的高压设备即危险又昂贵，使得制备出的产品价格高昂同时产量极少。也有试图采用加热或微波的常压方法制备气凝胶的尝试，采用加热或微波的干燥方法,由于不易准确控制温度，胶体内温度也由于距离热源远近不同，胶体薄厚不一致等原因,使得胶体内部存在的大量溶剂和水，在不同位置由于温度不同进而造成蒸汽压不同，在温度高的点，蒸汽压高引起的向外膨胀力会大于毛细管力，出现凝胶孔隙破裂；在温度低的点，蒸汽压会小，其向外的膨胀力小于毛细管力，出现凝胶孔隙塌陷，这种加热或微波干燥方法，使得干燥的凝胶内部空隙即出现破裂又出现塌陷，得到的是粉末状二氧化硅固体产品；孔隙的坍塌和破裂，使得到的干燥物没有足够的孔隙，比重大,隔热又差，不具有气凝胶的特性；也有通过加强凝胶强度的方法得到块状气凝胶,但得到的都是密度高、孔隙率低，不具有优异的隔热效果的产品。由此可知,保持气凝胶具有原凝胶的三维孔隙结构和高的孔隙率,去除内部的溶剂和水,所得到的块状气凝胶才具有气凝胶特性。 

如果不采取超临界干燥方法，干燥中出现三相界面时，就会出现毛细管力，如果管壁强度承受不住这个力,毛细管就会向内坍塌。只有尽量保持凝胶的孔隙即不塌陷,也不破裂,干燥制备的气凝胶才是质量优异的气凝胶. 

发明内容

本实用新型的目的是提供一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置，以解决超临界干燥高压设备即危险又昂贵，使得制备出的气凝胶价格高昂,同时产量极少的技术问题。 

本实用新型实现上述发明目的所采用的技术方案如下： 

一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置，包括一个带门的密封装置、密封装置内的气凝胶托盘摆放支架、密封装置内的加热器、密封装置上的进气孔和排气孔、安装在所述进气孔和排气孔上的具有控制阀的进、排气管路和一台内置或外置的真空泵；所述密封装置有1个进气孔和2个排气孔,或有2个或2个以上的进气孔和2个或2个以上的排气孔；至少1个排气孔与真空泵连接，形成抽真空管路，通向废气废液处理装置，用于减压抽气；其中至少1个排气孔直接通向废气废水处理装置；在密封装置或/和排气管路上，设有供加热干燥用的内部循环风扇。 

本实用新型的优点和积极效果如下：克服了超临界干燥方法高压危险设备昂贵的缺 点和加热微波干燥方法得到的产品质量差的弱点，采用梯度降压减压干燥或/和缓慢梯度升温干燥的方法制备出了强度高、性能优异的气凝胶。所得到的二氧化硅气凝胶具有孔隙率高，孔隙完整，比表面积大，隔热性能好，密度低，并且具有良好弹性。 

附图说明

图1是本实用新型的一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置的结构示意图。 

具体实施方式

本实用新型的装置采取了施加一个对进行干燥的凝胶向外的力平衡毛细管力的方法，防治凝胶孔隙塌陷或破裂。对进行干燥时的凝胶外加一个向外的力，使外加向外的力等于或接近于向内的毛细管力，使凝胶孔隙不塌陷或破裂；同时不断进行干燥，最终内部水和溶剂全部去除，就可以得到块状的具有完整三维结构孔隙很高的气凝胶。本实用新型给出了两种即可以分别单独使用,也可以同时使用的方法,可以对干燥过程中的凝胶施加向外的力，在持续保持这个平衡毛细管力的外力的同时干燥凝胶，得到气凝胶。 

其一，采用抽气减压,梯度降压的方法；其二，采用梯度升温，逐渐加热的方法。 

抽气减压，把待干燥凝胶放置于可以抽气减压的密闭装置中，抽气减压将一部分干燥装置内部的气体,抽出干燥装置，抽出的气体中包含凝胶中汽化的溶剂和水，凝胶内部的水和溶剂为了保持气液平衡,就要随着气体不断被抽出干燥装置而不断挥发,最终完全干燥。在减压过程中，干燥是由外向内逐层进行的，抽气减压使得内部压力大于外部压力，凝胶内部的水和溶剂由内部向外部扩散，形成了一个向外的力；如果减压的负压过低，向外力大于向内里力，且凝胶壁的强度不足以抵抗这个力差时，凝胶孔隙就会向外破裂，反之如果向内的毛细管力大于向外力,凝胶壁的强度不足以抵抗这个力的力差时，凝胶壁就会向内塌陷,因此一定要控制合适的压力和降压速度,使这两个力基本平衡。梯度升温，逐渐加热，随着加热，使凝胶内部的水和溶剂蒸汽压提高，由此产生更多的蒸汽，蒸汽向外膨胀产生一个向外的力；如果加热温度过高，向外力大于向内里力，且凝胶壁的强度不足以抵抗这个力差时，凝胶孔隙就会向外破裂，反之如果向内力大于向外力,凝胶壁的强度不足以抵抗这个力时，凝胶孔隙就会向内塌陷,控制好温度高低和升温速度,使内部产生的向外膨胀力和毛细管力基本平衡,凝胶干燥时,就不至于引起凝胶的破裂和塌陷。随干燥过程进行，凝胶内部深层水和溶剂在排出时的阻力会不断增大，为克服阻力需要降低压力或增加温度;凝胶从外向内不断干燥的过程之中，干燥层逐渐变厚，外部骨架强度逐渐增强，抵抗毛细管力的能力也不断增强，为进 一步降低压力或/和升高温度提供了有力条件，随继续降压或/和升温增大向外吸力，克服不断增加的阻力，将凝胶内部深层的水和溶剂不断抽出，直到凝胶干燥成气凝胶。所采用的这两种方法即可以单独使用，也可以同时使用来实现这个工作。 

方法之一，采用抽气减压,梯度降压的方法,，制备气凝胶；常压制备的凝胶，凝胶的内部是和环境的压力一样的，为不使凝胶内部的孔隙塌陷，采用减压抽气的方法干燥时，把待干燥的凝胶，放入一个密闭的可以抽气减压的装置内，开始减压；抽气减压对凝胶内部的水和溶剂产生的吸力形成的是一个向外的力，凝胶内部水和溶剂由于自身的蒸汽压会有一部分汽化成汽体，在减压时，干燥装置内的气体被抽出到干燥装置外，一部分水和溶剂的挥发汽体也随之抽到了干燥装置外，为保持自身稳定的汽液平衡，水和溶剂就会挥发一些来补充，这样不断减压抽气，凝胶就会逐渐干燥，当开始干燥的凝胶出现汽液界面时，气液界面产生了表面张力，同时在三相界面产生了毛细管力，这个毛细管力是一个倾向于向内塌陷的力，用F1来表示，同时，减压给与凝胶的向外吸的力，用F2表示，当F1=F2,或F1接近于F2时，并且只要这个力的差值不足以使此时的表面开始干燥的凝胶塌陷或破裂，凝胶就会在凝胶孔隙不产生塌陷和破裂的情况下，不断的由外向内逐渐干燥；随着向深层干燥，凝胶内部深层的溶剂和水，要穿过外部已经干燥的外层气凝胶的孔隙才能抽出，阻力不断增大，外层已经干燥的气凝胶随逐层向内干燥，骨架强度逐渐提高，为进一步降压增大吸力创造了条件，采取梯度降低压力的方法，逐渐增加吸力，直到将凝胶中的溶剂和水全部抽出，最终制备出具有完整三维结构高孔隙率的气凝胶。 

方法之二，采用梯度升温逐步加热的方法制备气凝胶；在常压常温制备凝胶时，凝胶的内外部温度是一样的，为不使凝胶内部的孔隙塌陷，我们采用梯度升温的方法干燥，我们把要干燥的气凝胶放入一个密闭的可以加热升温的装置内，开始缓慢升温，设备内凝胶所携带的水和溶剂由于自身的蒸汽压会随温度升高而增高，里面的水和溶剂会随温度不断升高从凝胶内部挤出来,通过空气循环系统而逐渐从设备内排到设备外，凝胶就会逐渐干燥。加热方法干燥凝胶，一些水和溶剂被加热挥发掉，凝胶会出现气液界面，出现固、液、气三相界面就产生了毛细管力，毛细管力是一个倾向于向内塌陷的力，用F3来表示，同时，加热使凝胶内部的水和溶剂蒸汽压增高产生一个向外的膨胀力，用F4表示，当F3=F4，或F3接近于F4，并且只要这两个力的差值，不足以使此时表面开始干燥的凝胶孔隙塌陷或破裂，凝胶就会由外向内逐渐干燥，凝胶内部深层的溶剂和水， 要穿过外部已经干燥的外层气凝胶的孔隙才能挤出来，阻力不断增大，要干燥彻底就要增加温度，这时外层已经干燥的气凝胶层逐渐变厚，骨架强度增强，为升温增加膨胀力创造了条件，此时逐步地升高温度，保持F3=F4或F3接近F4使得凝胶孔隙保持完好，直到将凝胶中的溶剂和水彻底全部烘出，最终制备出具有完整三维结构高孔隙率的气凝胶。 

方法之三，将方法之一和方法之二同时在一起使用，即，逐步减压和梯度升温加热同时控制的方法制备气凝胶；由于同时控制压力和温度两个参数，摸索出合适的工艺参数是十分必要的。当我们在常压常温制备了凝胶时，凝胶的内外部温度是一样的，内外压力也是一样的，为不使凝胶内部的孔隙塌陷，同时采用减压和梯度升温加热的方法干燥，把要干燥的气凝胶放入一个密闭的可以升温和减压的装置内，同时或先后抽气减压和升温，在加热和抽气减压的双重作用下，干燥装置内的凝胶内的水和溶剂不断排出，凝胶内部出现气液界面，凝胶出现三相界面时，产生了表面张力，这个毛细管力是一个倾向于向内塌陷的力，用F5来表示，同时，加热使凝胶内部的水和溶剂产生一个向外的力，用F6表示，减压使凝胶内水和溶剂所产生的向外的力用F7表示，当F5=F6+F7 

时，或F5接近于F6+F7，只要这个力的差值，不足以使此时表面开始干燥的凝胶孔隙塌陷或破裂，凝胶就会逐渐的由外向内逐渐干燥，随着干燥过程凝胶内部的溶剂和水，要穿过外部已经干燥的外层气凝胶的孔隙才能吸抽出，阻力不断增大，需要增大向外的力，外层已经干燥的气凝胶随逐层向内干燥，骨架强度也越来越强，采取逐步地升高温度和逐步地降低压力相结合的方法，在凝胶孔隙不塌陷和不破裂的情况下，逐渐将凝胶中的溶剂和水全部连烘带抽全部去除，最终制备出具有完整三维结构高孔隙率的气凝胶。 

本实用新型减压干燥制备气凝胶的干燥装置，是在包括凝胶制备、凝胶溶剂置换疏水处理工艺之后，对气凝胶进行减压干燥和烘干的设备。 

该设备可以以下述方式工作： 

方式之一： 

采用梯度降压或缓慢降压的方法制备气凝胶时，干燥设备内温度控制在20-40℃，以25-35℃为最佳，起始干燥压力为环境大气压，开启真空泵开始减压干燥；通过控制进气阀或开关真空泵电机的方法实现梯度或连续的压力控制；气凝胶的厚度为0.5-10厘米，开始的第一、二小时，每十分钟降低压力0.01-0.02大气压；第三、四小时,每十分钟 降低压力0.02-0.03大气压；第五小时以后,每十分钟降低0.03-0.04大气压；逐步降低到0.5-0.6大气压时，保持该大气压1.5-2.5小时,进行干燥程度检测,至通过取样称重检查达标。再进行烘干，将减压干燥的气凝胶放置于烘干箱中快速升温到170℃-190℃，烘干时间10分钟至2小时（根据气凝胶的厚度选择烘干时间，越厚时间越长），停止加热，得到高孔隙率，低密度，低导热系数的二氧化硅气凝胶。 

方式之二： 

采用梯度升温或缓慢升温的方法干燥，将厚度为0.5-10厘米的气凝胶放置于加热装置中，加热干燥，起始温度为环境温度，开始时由于气凝胶表面强度很低,降温速度要慢,随着气凝胶表面强度不断增强,适当加快升温速度,开始的第一、二小时每十分钟升温0.1-0.3℃；第三、四小时每十分钟升温0.3-0.6℃；第五、六小时,每十分钟升温0.6-1.0℃,第七小时以后,每十分钟升温1.0-1.5℃,逐步升温到60℃时保持30-50分钟,通过取样称重检查达标即结束；然后快速升温到170℃至180℃,保持15分钟到1小时（根据气凝胶的厚度选择烘干时间，越厚时间越长）得到具有完整三维结构高孔隙率的气凝胶。 

方式之三： 

采用梯度减压或逐步减压和梯度升温或逐步升温加热同时控制的方法；将厚度为0.5-10厘米的气凝胶放置于同时可以加热和抽气减压的干燥装置中，同时加热和减压，减压采用梯度减压或缓慢降压的方式进行,起始由于凝胶表面结构强度很低，减压速度要慢,随表面强度增强,适当加快降压速度,采用减压干燥方法制备气凝胶时,开始的第一、二小时每十分钟降低压力0.01-0.02大气压,第三、四小时,每十分钟降低压力0.02-0.03大气压,第五小时之后,每十分钟降低0.03-0.04大气压,逐步降低到0.5-0.6大气压时；同时进行加热干燥，起始温度为环境温度，开始时由于气凝胶表面强度很低,降温速度要慢,随着气凝胶表面强度不断增强,适当加快升温速度,开始的第一、二小时每十分钟升温0.1-0.2,第三、四小时每十分钟升温0.3-0.5，第五小时之后,每十分钟升温0.5—0.7℃,逐步升温到60℃时保持30-50分钟,通过取样称重检查达标即结束；然后快速升温到170℃至180℃,保持15分钟到1小时得到具有完整三维结构高孔隙率的气凝胶。 

以上所述的取样称重检查方式及标准是取100克气凝胶，加热到180℃保持15分钟， 其失重小于0.2克，即达到干燥标准。 

本发明的一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置的结构参见图1，包括一个带门的密封装置9、密封装置内的气凝胶托盘及摆放支架1、密封装置内的加热器6、密封装置上的具有控制阀的进、排气出口4、10和与密封装置连接的抽真空管路和一台内置或外置的真空泵2；所述密封装置有一个进气孔和两个排气孔,或有两个或两个以上的进气孔和两个或两个以上的排气孔,每个进气孔和排气孔上安装带有阀门的管路；其中的至少一个排气管与真空泵连接，通向废气废液处理装置，用于减压抽气；其中至少一个排气管直接通向废气废水处理装置；在密封装置或排气管路上，设有供加热干燥用的内部循环风扇。在进排气管道上设有进气阀门3和排气阀门8。在密封装置9内侧壁上设有气流导向板5，在密封装置9上设有气压表7。 

当抽气减压时，外部有少量空气进入干燥装置，抽气口在上面，进气口在下面，如果不设导流板，进入空气直接以最短行程从抽气口排出，设置导流板，将进入空气按照导流方向，进入每一个放有干燥盘的层面，均匀带走每层的挥发成分。 

Claims (1)

1.一种减压干燥制备气凝胶的干燥装置，其特征在于，包括一个带门的密封装置、密封装置内的气凝胶托盘摆放支架、密封装置内的加热器、密封装置上的进气孔和排气孔、安装在所述进气孔和排气孔上的具有控制阀的进、排气管路和一台内置或外置的真空泵；所述密封装置有1个进气孔和2个排气孔,或有2个或2个以上的进气孔和2个或2个以上的排气孔；至少1个排气孔与真空泵连接，形成抽真空管路，通向废气废液处理装置，用于减压抽气；其中至少1个排气孔直接通向废气废水处理装置；在密封装置或/和排气管路上，设有供加热干燥用的内部循环风扇。 

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